从木炭到石墨烯:45亿年,史上最全的炭材料大汇总
中国国际特殊钢工业展览会 2017-01-11 11:09:05
导语:一文解读炭材料家族史!

来源:中国国际特殊钢工业展览会,ID:sseactg  编辑:扑克投资家,转载请注明出处

一、什么是炭材料

炭材料是主要以煤、石油或它们的加工产物等有机物质作为主要原料经过一系列加工处理过程得到的一种非金属材料,其主要成分是碳。金刚石、石墨、咔宾、石墨烯、碳纳米管、炭/炭复合材料都属于炭材料。

二、炭的起源---“big bang”理论

三、炭材料的发展史

四、炭材料的应用

1、机械工业:轴承、密封元件、制动元件等;

2、电子工业:电极、电波屏蔽、电子元件等;

3、电器工业:电刷,集电体、触点等;

4、航空航天:结构材料,绝热、耐烧蚀材料等;

5、核能工业:反射材料,屏蔽材料等;

6、冶金工业:电极,发热元件,坩锅、模具等;

7、化学工业:化工设备,过滤器等;

8、体育器材:球杆,球拍,自行车等;

五、第一代炭材料(5千-1万年前)——木炭

木炭(charcoal)是木材或木质原料经过不完全燃烧,或者在隔绝空气的条件下热解,所残留的深褐色或黑色多孔固体燃料。利用炭的化学性质,作燃料和还原剂炼铜和炼铁。

CuO+ C→Cu + CO2

Fe2O3+ C→Fe + CO2

应用领域:燃料、炼钢、炼铁。

未来趋势:近几年我国木炭行业发展速度较快,木炭行业在国内和国际市场上发展形势都十分看好。

六、第二代炭材料(十九世纪)

1、烧结型炭材料(人造石墨)

利用炭的物理性质(导电、耐热、耐腐蚀、耐摩擦等),用于炭砖、炼钢、炼铝等(电极、电刷、各种机械、化工用炭、原子反应堆用炭等)。

主要产品:电极、电刷、各种机械、化工用炭、原子反应堆用炭。

应用领域:炭砖、炼钢、炼铝等。

2、炭黑

炭黑(carbon black,又名碳黑),是一种无定形碳。轻、松而极细的黑色粉末,表面积非常大,范围从10-3000m2/g,是含碳物质(煤、天然气、重油、燃料油等)在空气不足的条件下经不完全燃烧或受热分解而得的产物。

应用领域:墨的原料、橡胶工业的轮胎、塑料、化妆品等。

七、第三代炭材料(第二次世界大战后)

1、金刚石

金刚石俗称“金刚钻”,也就是我们常说的钻石的原身,它是一种由碳元素组成的矿物,是碳元素的同素异形体。金刚石是自然界中天然存在的最坚硬的物质。

性能:高热传导率,低热膨胀系数,低摩擦系数,高硬度,在可见光和红外光下高透明性,高折射系数,化学和放射性惰性。

应用领域:珠宝首饰、切割工具、研磨料、不利环境中的热探头、放射性检出仪、压力敏感器、荧光显增器、光学窗、微型机械元件,以及高密度、高能量电子元件等。

2、线型碳(卡宾)

线型碳是元素碳的一种新的同素异形体,以sp杂化成键为特征,呈线型结构。研究表明,线型碳在高温低密度的液体碳中存在。1968年,在前西德的Ries火山口的石墨片麻岩中发现微量的线型碳。后来,又在陨石和宇宙粉尘中发现这种线型碳分子。前苏联学者将之命名为"Carbyne"。最初国内介绍这种物质时译名为"卡宾"。

性能:高热力学稳定性、生物体的高亲和性等。

应用领域:常温超导材料、外科手术的缝合线及动物硬组织材料、隐型眼镜外框、合成金刚石。

3、碳纤维

碳纤维(carbon fiber,简称CF),是一种含碳量在95%以上的高强度、高模量纤维的新型纤维材料,是由片状石墨微晶等有机纤维沿纤维轴向方向堆砌而成,经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料。

性能:与钛、钢、铝等金属材料相比,碳纤维具有强度大、模量高、密度低、线膨胀系数小等特点。

应用领域:航天、航空、 汽车、 电子、 机械、化工、轻纺、运动器材和休闲用品。

4、活性炭纤维

活性炭纤维(ACF),亦称纤维状活性炭,是性能优于活性炭的高效活性吸附材料和环保工程材料。其超过50%的碳原子位于内外表面,构筑成独特的吸附结构,被称为表面性固体。它是由纤维状前驱体,经一定的程序炭化活化而成。

性能:比表面积大、吸附性能好。

应用领域:环保、储能材料、隐身材料、核防护材料、催化剂载体、生理除味保健、防毒防化、血液净化、人工肝脏和肾脏、水果储存保鲜、除臭除湿、高能电极及双层电容。

5、玻璃炭

玻璃炭(Glassy Carbon)又称聚合炭(Polymeric Carbon),它是由高纯度的交联结构的酚醛树脂(或呋喃树脂),经特殊高温热解制得。

性能:耐3000℃的高温,低密度,高透气性,高耐酸碱性以及优良的生物相容性。

应用领域:实验室分析器皿、化学分析电极、温度计的保护管、电池电极隔板、半导体器件。

6、金刚石薄膜

金刚石薄膜又称DLC薄膜,它是一类性质近似于金刚石,具有高硬度、高电阻率、良好的光学性能,同时又具有自身独特摩擦学性能的非晶碳薄膜。

性能:透光、发光性,硬度高、耐磨、高膜量,光交换性。

应用领域:高温晶体管、激光器件、绝缘材料等。

7、石墨层间化合物(可膨胀石墨)

石墨层间化合物 (GIC)是通式为XCy的化合物,它是使具有极性的插入剂(酸、碱、卤素) 分子或离子插入石墨层与碳网平面形成石墨层间化合物( GICs) , 也可称为可膨胀石墨。

性能:轻、高导电性、电化学性,反应性等。

应用领域:高导电材料、电池活性物质、催化剂等。

8、气相生长炭纤维

气相生长碳纤维,是一种采用化学催化气相沉积技术,在高温下(873K~1473K),以过渡族金属(Fe、Co、Ni)或其化合物为催化剂,将低碳烃化合物(如甲烷、乙炔、苯等)裂解而生成的微米级碳纤维。

性能:极细、比表面积大、中空、结晶性好。

应用领域:增强材料、催化材料、导电材料等。

9、中间相沥青基炭纤维

沥青基炭纤维是以燃料系或合成系沥青原料为前驱体,经调制、成纤、烧成处理而制成的纤维状炭材料。

性能:原料便宜、碳收率高、易制得超高模型炭纤维。

应用领域:航天、航空及高级运动器材;民用工业领域的隔热材料、磨耗制动材料、耐腐蚀材料、导电和屏蔽材料、音响材料;建筑材料的水泥增强材料。

10、碳化硅晶体

早在1824年,瑞典科学家Berzelius(1779一1848)在人工合成金刚石的过程中就观察到了SiC的存在,但是因为天然的SIC单晶极少,当时人们对SIC的性质几乎没有什么了解。直到1885年,Acheson首次生长出SiC晶体之后,人们才开始对SIC的特性、材料制备方法及应用前景等多方面开始了深入研究。

性能:化学性能稳定、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好。

应用领域:磨料、高级耐火材料、脱氧剂、电热元件硅碳棒、半导体、用于水轮机叶轮或汽缸体的内壁的碳化硅粉末涂布。

11、炭/炭复合材料

碳/碳复合材料(c-c composite or carbon-carbon composite material)是碳纤维及其织物增强的碳基体复合材料。

性能:低密度(<2.0g/cm3)、高强度、高比模量、高导热性、低膨胀系数、摩擦性能好,以及抗热冲击性能好、尺寸稳定性高。

应用领域:火箭发动机喷管及其喉衬、航天飞机的端头帽和机翼前缘的热防护系统、飞机刹车盘等。

八、第四代炭材料——新型炭材料

1、富勒烯

富勒烯(Fullerene)是一种碳的同素异形体。任何由碳一种元素组成,以球状,椭圆状,或管状结构存在的物质,都可以被叫做富勒烯。富勒烯与石墨结构类似,但石墨的结构中只有六元环,而富勒烯中可能存在五元环。

性能:具有线性和非线性光学特性,碱金属富勒烯超导性等。

应用领域:非线性光学器件、光导体、超导材料、护肤品、有机太阳能电池、催化剂、抗癌药物、CVD金刚石膜、高强度碳纤维、高能轰击粒子。

2、碳纳米管

碳纳米管,又名巴基管,是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口)的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离,约0.34nm,直径一般为2-20 nm。

性能:高电导率、高热导率、高弹性模量、高抗拉强度等。

应用领域:纳米复合材料、新能源,传感器,超级电容器,场发射管。

3、石墨烯

石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜,只有一个碳原子厚度的二维材料。

性能:非同寻常的导电性能、极低的电阻率极低和极快的电子迁移的速度、超出钢铁数十倍的强度和极好的透光性。

应用领域:光电显示、半导体、触摸屏、电子器件、储能电池、显示器、传感器、航天、军工、复合材料、生物医药等领域。

4、碳纳米洋葱

碳纳米洋葱是指尺寸为纳米级,即十亿分之一米的金刚石,是近年来用爆炸技术合成的新

材料,它不但具有金刚石的固有特性,而且具有小尺寸效应、大比表面积效应、量子尺寸效应等,因而展现出纳米材料的特性

性能:高硬度。

应用领域:纳米金刚石与金属复合镀层、纳米金刚石抛光液、纳米金刚石-聚合物复合体、润滑油、烧结体、磁性记录系统、医学。

5、碳包覆纳米金属颗粒

碳包覆纳米金属颗粒(CEMNP)又称碳包覆纳米金属晶,是一种新型的碳/金属纳米复合材料,其中数层石墨片层紧密围绕纳米金属颗粒有序排列,形成类洋葱结构,纳米金属粒子则处于洋葱的核心。

性能:可避免环境对纳米金属材料的影响;可提高某些金属与生物体之间的相容性。

应用领域:磁记录材料、锂离子二次电池负极材料、电波屏蔽材料、氧化还原催化剂、核废料处理材料、精细陶瓷材料和抗菌材料。

6、碳气凝胶

2013年,浙江大学的科学家们研制出了一种超轻材料,这种被称为“全碳气凝胶”的固态材料密度仅每立方厘米0.16毫克,是空气密度的六分之一,也是迄今为止世界上最轻的材料。

性能:高弹性、强吸附。

应用领域:海水淡化、相变储能保温材料、催化载体、吸音材料以及高效复合材料。

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